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碳水化合物 来自维基百科，自由的百科全书
醣類，指的是一系列多羥基醛或多羥基酮及其縮聚物，或者其衍生物的總稱，一般由碳、氫與氧三種元素所組成，廣佈於自然界。
醣類又稱「碳水化合物」（英語：carbohydrate），其由來是生物化學家先前發現醣類物質均可寫成經驗分子式：Cn(H2O)n，其氫與氧元素的比例始終為2:1，故以為所有醣類是碳和水的化合物。但後來的發現證明了許多醣類並不符合上述分子式，如：鼠李糖（C6H12O5）；而同時有些物質符合上述分子式卻不是醣類，如甲醛（CH2O）等。醣類為人體最重要的營養素之一，主要分成三大類：單醣、雙醣和多醣。在一般情況下，單醣和雙醣是較小的（低分子量）的碳水化合物，通常稱為糖[1]。例如，葡萄糖是單醣，蔗糖和乳糖是雙醣。
醣類在生物體上扮演着眾多的角色，像多醣可作為儲存養分的物質，如澱粉和糖原；或作為動物外骨骼和植物細胞的細胞壁，如：甲殼素和纖維素；另如五碳醛糖的核糖是構成各種輔因子的不可或缺之物質（如ATP、FAD和NAD）和遺傳物質分子的骨幹（如 DNA和 RNA）。醣類的眾多衍生物同時也與免疫系統、受精、預防疾病、血液凝固和生長等有極大的關聯[2]。
在食品科學和其他非正式的場合中，碳水化合物則通常是指富有澱粉，例如糧食五穀、甜點；或者簡單醣類的食物，例如食糖、水果。[3][4]
在先秦古籍中出現了飴字[5]。到了漢代，陸續出現了𩛿、餳、餹等字[5]。飴、𩛿指軟糖，餳、餹指硬糖。飴讀為yí，𩛿、餳讀xíng，餹讀為táng（餳多音字亦有táng的讀音）[5][註 1]。在六朝時才出現「糖」字。[5]中國蔗糖的製造始於三國魏晉南北朝到唐代之間的一個時代[5]。
李時珍《本草綱目》載：「糖法出西域，唐太宗始遣人傳其法入中國，以蔗準過樟木槽取而分成清者，為蔗餳。凝結有沙者為沙糖，漆甕造成如石如霜如冰者為石蜜、為糖霜、為冰糖。」
醣字始見於民國，為化學轉譯而造，在中國大陸的漢字簡化過程中被歸併簡化為糖。
醣類裏面的「醣」與一般所稱的「糖」不同，日常所稱「糖」是指食糖，泛指具有甜味的可溶於水的有機化合物晶體，如葡萄糖、麥芽糖及最主要的蔗糖，而醣類包括所有單醣、雙醣及多醣，並不僅指含有甜味的物質。
以前所有分子式可寫成Cm(H2O)n的化學物質皆被稱為「碳水化合物」，根據這個定義，有些科學家認為甲醛（CH2O）為最簡單的醣，[6]但是也有其他人認為醣類中最簡單的分子是乙醇醛（C2H4O2）。[7]但是現在，生物化學理解上的醣類是指除了碳數不為一和二的「碳水化合物」。
自然界的醣類通常都由一種簡單的碳水化合物：單醣所構成，通式為(CH2O)n，（n≥3）。一個典型的單醣具有H-(CHOH)x(C=O)-(CHOH)y-H結構，也就是多羥基醛或多羥基酮，如：葡萄糖、果糖、甘油醛皆是單醣。然而有些生物物質像醣醛酸和脫氧糖就不符合此通式，此外還有許多物質的分子式符合這個通式卻並不屬於醣類，如：甲醛（CH2O）和肌醇（CH2O)6）[8]。
直鏈形式的單醣通常與關環形式的單醣同時存在，這種環狀分子是由醛/酮上的羰基（C=O）與羥基（-OH）反應形成半縮醛，並形成一個新的C-O-C鍵橋。單醣可以各種方式互相連接在一起形成多醣（或寡醣，又稱低聚糖）。許多醣類含有一個或多個修飾的單醣單元，這種修飾方法可以是一個或多個基團被取代或移除。例如，DNA的一個組分脫氧核糖，就是被核糖所修飾的糖；幾丁質是一種由重複的N-乙酰氨基葡萄糖（一種含氮原子的葡萄糖）片段所組成的醣類。
單醣因無法水解為更小的碳水化合物，因此是醣類中最小的分子。它們是一些具有兩個或者更多羥基的醛或酮類化合物。未修飾過的單醣化學式可表達為：(C·H2O)n，因其都是碳和水分子的倍數而稱為：「碳水化合物」。單醣是一種重要的燃料分子，也是核酸的結構片段。最小的單醣中的n＝3，即二羥基丙酮或D-和L-甘油醛。
單醣可由三種不同的結構片段來分類：羰基的位置、分子內的碳原子數、及其手性構型。如果羰基在碳鏈末端，則分子屬醛類，而單醣稱醛糖；若羰基位處碳鏈中間，則屬酮類而單醣稱為酮糖。含有三個碳原子的單醣稱為：丙糖；四個碳原子的稱為丁糖；五個稱為戊糖；六個稱為己糖，以此類推。[9]
除糖分子碳鏈的首尾兩個碳原子，每個碳原子都帶有一個羥基（-OH）並具有不對稱性，使每個手性中心可以是R或S兩種構型。因為這種不對稱性，一個特定的糖分子式存在着多種異構體。如：D-葡萄糖（醛糖）具有分子式 (C·H2O)6，其中有四個碳原子具有手性，因此D-葡萄糖是24 = 16個可能的立體異構體中的一個。又如：甘油醛是一種丙醛糖，有一種可能的立體異構體，同時也是對映體和差向異構體。1,3-二羥基丙酮，丙醛糖（醛糖）所對應的酮糖分子，是一種沒有手性中心的對稱分子。D或L構型由離羰基最遠的不對稱碳原子的取向所決定：標準的費歇爾投影式中，若羥基在右側則為D型糖，左側則為L型糖。這裏要注意：「D-」和「L-」前綴不可與「d-」和「l-」相混淆，後者指的是偏振光在糖分子平面下的旋轉。「d-」和「l-」在糖化學中現已不太使用。[10]
直鏈單醣的醛基或酮基會不可逆的與另外一個碳原子作用形成半縮醛或半縮酮，得到一個帶有氧橋連接雙碳原子的雜環。由五個或六個原子組成環的分別稱為呋喃糖與吡喃糖，這些環狀糖與直鏈形式的糖存在化學平衡。[11] 由直鏈糖形成環狀糖的過程中，含有羰基氧原子的碳原子稱為：異頭碳。這個碳原子在成環後便成為分子內的手性中心，具有兩種可能的構型：若氧原子可在平面的上方或下方，這樣得到的一對手性異構體稱之為：異頭物。若在異頭碳上的-OH取代基與環外CH2OH基團成反式構型（即不在環一側）時稱為α異頭物；另外一種情況兩者在環的同一側，呈現順式構型，則稱為β異頭物。由於環狀糖與直鏈糖本身會互相轉化，因此兩種異頭物存在着平衡。[11]費歇爾投影式中，α異頭物被表達為：異頭羥基與CH2OH呈現反式，而β異頭物則為順式[12]。
單醣是新陳代謝中的主要燃料，能提供能量（當中以葡萄糖最主）及用於生物合成。[13][14]
單醣未需即時使用的話，細胞會先將其轉換成較省空間的形式，通常為多醣。在包括人類的許多動物中，這種儲存方式是糖原，特別在肝臟及肌肉細胞。在植物中，則儲存成澱粉。[15]
由兩個連接成一起的單醣組成的醣類，稱為雙醣。它們是最簡單的多醣，如：蔗糖和乳糖。雙醣是由兩個單醣單元通過脫水反應，形成一種稱為醣苷鍵的共價鍵連接而成。在脫水過程中，一分子單醣脫除氫原子，而另一分子單醣脫除羥基。未經修飾的雙醣化學式可表達為：C12H22O11。雖然雙醣種類繁多，但大多數並不常見。右側圖片展示的為蔗糖，是存量最為豐富的雙醣，它們是植物體內存在最主要的醣類。蔗糖由一個D-葡萄糖分子與一個D-果糖分子所組成，其系統命名為：O-α-D-葡萄吡喃糖基-(1→2)-D-果糖呋喃糖苷，其中蘊含了四種資訊：
乳糖，是一種由一分子D-半乳糖與一分子D-葡萄糖形成的雙醣，廣泛的存在於天然產物中，如：哺乳動物的乳。另外一個常見的雙醣為麥芽糖（兩個D-葡萄糖通過1，4碳原子連接為α糖）與纖維糖（兩個D-葡萄糖通過1，4碳原子連接為β糖）。雙醣還可分類為還原性雙醣與非還原性雙醣，通過兩個單醣分子的半縮醛（酮）羥基脫去一分子水而相互連接。這樣的雙醣，分子中已沒有半縮醛（酮）羥基存在，因此其中任何一個單醣部分都不能再由環式轉變成醛（酮）式。這種雙醣就沒有變旋現象和還原性，也不能生成糖脎，因此稱為非還原性雙醣[16][17]。
寡醣和多醣都是由單醣單元通過醣苷鍵組成的長鏈分子。兩者的區別在於其鏈上單醣單元的數量：寡醣通常含有3至10個單醣單元，而多醣則具有超過10個單醣單元。在實際應用中，醣的分類更傾向於個人的判斷，如通常上述的雙醣也可以算作寡醣，而寡醣也包括了三醣（如棉子糖）和四醣（如水蘇糖）等。
低聚糖是經轉譯後修飾的常見蛋白質形式。轉譯後修飾包括Lewis及負責ABO血型分類的寡醣，因此也與組織出現不相容、alpha-Gal異種移植超急性排斥及O-GlcNAc糖基化有關。
多醣是生物聚合物的一個重要分類，其功能通常與生物結構及儲存方面有關。澱粉（一種單醣聚合物）是植物中的多醣儲存方式，而它的形式包括直鏈澱粉及分枝澱粉。在動物中，結構上相似的葡萄糖聚合物是相對較多分枝的肝醣，有時稱作「動物澱粉」。肝醣的特性在於它能迅速被分解，因此較適合於經常活動的動物。纖維素與甲殼素屬於結構寡醣。植物及某些生物的細胞壁用纖維素製造，因而被說是世上最多的有機分子[18]。它的用途非常廣泛，主要用於製紙及紡織品工業，亦是製作嫘縈（黏液嫘縈過程）、乙酸嫘縈、賽璐珞及氮嫘縈的原料。
甲殼素的化學結構與纖維素相似，並有含氮的取代基，因此比纖維素更堅韌。節肢動物的外骨骼及某些真菌的細胞壁皆以甲殼素組成。甲殼素有多種用途，包括手術縫合線。
除了以上兩種，胝質（或作昆布糖）、金藻昆布多醣、聚木糖、阿拉伯木聚糖、甘露聚糖、褐藻素及半乳甘露聚糖均屬於多醣[19]。
多種食物皆含有豐富的醣類，包括水果、汽水、麵包、意式麵食、豆類、馬鈴薯、米糠、稻米及麥類。醣類是生物中的常見能量來源，卻不是人類的必須營養。醣類也不是任何其他份子的必須組成部份，而人體也可以從蛋白及脂肪獲取能量[20]。腦部及腦神經一般不能燃燒脂肪以獲取能量，但可以使用葡萄糖或酮糖代替。人體能從糖異生過程中，利用特定的氨基酸、甘油三酸酯中的甘油骨架，或是脂肪酸中的合成某些葡萄糖。醣類每克含有15.8千焦耳（即3.75千卡路里）而每克蛋白質則能提供16.8千焦耳（4千卡路里），而每克脂肪則能提供37.8千焦耳（9千卡路里）[21]。
生物一般不能利用所有醣類轉換成能量，而葡萄糖是最普遍的能量來源。許多生物都有能力把其他單醣及雙醣代謝成能量，但以葡萄糖為首選。例如，在大腸桿菌中，當遇到乳糖，乳糖操縱子會釋出酶，以消化乳糖，但如果乳糖和葡萄糖都存在乳糖操縱子會受到壓抑的，葡萄糖會首先被消化。多醣也是常見的能量來源，許多生物皆能分解澱粉成葡萄糖，但大部份生物都不能消化纖維素、甲殼素等其他多醣。這些醣只能由某些細菌及原生生物消化。例如，反芻動物和白蟻會利用微生物來處理纖維素。雖然這些複雜的醣不能輕易消化，但它們卻是人類營養的重要部份，稱為食用纖維。食用纖維對人類的最大益處，在於它能促進消化。美國藥物組織建議，每名美國及加拿大人的食物熱量需有45–65%來自醣類，以減低心臟病及肥胖症的風險[22]。聯合國糧食及農業組織與世界衛生組織也聯合建議每個國家制定營養指引，訂立每人的總食物能量中的55至75%來自醣類，最多10%直接來自糖份[23]。發表在《柳葉刀公共健康》（The Lancet Public Health）雜誌上的研究結果指出，那些從碳水化合物中獲得50%-55%能量的人，與其他攝入碳水化合物偏低和偏高的人相比，死亡風險略有降低。[24]人體壓力的增加會產生皮質醇，這種激素能促進飢餓感，並促使人們渴望高脂肪、高能量的食物，如加工過的碳水化合物。[25]
歷史上，營養學家曾經只把醣類分為簡單與複雜，但這種分類法難免存在歧義問題。現今的「簡單醣類」一般指單醣與雙醣，而「複雜醣類」指多醣（包括低聚糖）。可是，「複雜醣類」最先見於美國參議院人類營養需求委員會出版物《美國營養目標》（1977），該詞語的意思卻不相同，指的是「水果、蔬菜及全穀物」[26]。部份營養學者以「複雜醣類」一詞指任何在含有纖維、維他命及礦物質的食物中，可消化的醣類，以相對於提供較少其他營養的已消化醣類。
許多人（甚至有營養學家）相信，複雜的醣類（多醣，例如澱粉）比簡單的醣類（例如單醣）消化得較慢，因此較健康[27]。
實際上，簡單醣類與複雜醣類對血糖水平的影響大同小異[28]。一些簡單的碳水化合物消化得非常緩慢（例如果糖），而一些複雜的醣類，特別經過處理後的，卻能迅速提高血糖水平（如澱粉）。從此可知，消化的速度取決於多種因素，包括連帶進食的其他營養物、食物準備方法、在個人代謝的速度差異，以及該碳水化合物的化學結構。
營養學上，以升糖指數 (GI)及血糖負荷（GL）的概念，來反映食物於消化後對人體的影響。升糖指數衡量人體吸收該食物中葡萄糖的速度， 而血糖負荷則衡量食物中可吸收葡萄糖的總量。兩種指數中，最高則代表醣類含量最高、血糖水平最大影響的食物。胰島素指數是一個類似的、更新式的計算法，衡量食品對血腋胰島素水平的影響，主要考量食物中的葡萄糖（或澱粉）和某些氨基酸的份量。
膳食指南一般建議食用複雜醣類（澱粉）和營養豐富的簡單醣類，如水果、蔬菜及奶製品，以彌補大量醣類的消耗。過量食用高度加工的醣類來源，如玉米或土豆片，糖果，含糖飲料，糕點和白米，一般認為是不健康的。美國農業部的《2005年美國膳食指南》不再使用簡單/複雜的分類法，改為推薦含豐富纖維素的食物和全穀物[29]。
細胞會透過分解代謝獲取能量。單醣分解代謝的途徑有兩種：糖酵解及三羧酸循環，或稱作檸檬酸循環、克雷伯氏循環[30][31]。
在糖酵解過程中，低聚糖或多醣會先裂解成較小的單醣，過程會由醣苷水解酶催化，單醣才能進入單醣分解的程式。在人體中，並非所有碳水化合物都能提供能量，因為人體內並沒有所需的消化酶及代謝酶以催化其分解作用[32][33]。
糖化學是有機化學的一個重要分支，它是以研究糖的化學性質以及化學反應為主的一門科學。由於糖的結構是多羥基醛酮化合物或其半縮醛結構，因此糖化學主要研究了糖分子內部的這些相關性質。部份醛糖能氧化為羧酸。以下是主要其牽涉的化學反應：
有些醣類因帶有醛基（如單醣中的葡萄糖）或其含有半縮醛羥基（如部份雙醣中的乳糖），使這些醣帶有還原性質，稱為還原糖，可以斐林試劑、本立德試劑偵察，還原糖的出現會產生紅褐色的氧化亞銅沉澱物。此外還原糖與氨基酸等物種在加熱的情況下能進行美拉德反應，即令食物出現棕褐色並出現誘人香氣的主要化學作用。
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